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摘要超疏水材料的研究最早源于一句诗， “出淤泥而不染，濯清涟而不妖” 。其原因是它得表面有许多凸起的微纳米结构，这样水珠只与凸起尖端点接触，表面黏附作用力很弱。因此水在表面张力作用下可凝成水珠，并且能在叶片表面随意滚动。超疏水材料具有防雾，抗腐蚀，自清洁等功能，具有广泛的运用前景。本研究运用遗态学的方法，利用植物结构作为模板制备超疏水材料，将烧结后的植物模板进行特殊处理，并用低表面能溶液浸泡。从而即保留了材料的原有性能，又继承了天然植物模板的微纳米结构，最终获得具有表面分级结构的超疏水材料。31300
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毕业论文关键词 超疏水 碳 ZnO 接触角
Title Study of ZnO superhyphobic suface based on carbonderived from plant tenplate
Abstract Study on super hydrophobic began in a poem, ‘Lotus unsullied from mud, wash cleanwithout demon’. The reason is there are many raised the micro-nano structure onthe surface that drops only contact with the protruding tip, surface adhesion forceis very weak. So the water condenses into water under surface tension, and easyrolling on the surface of the blade. Super hydrophobic materials with anti fog,anti corrosion, self cleaning function and as so no, with a broad applicationprospect. This study use morph genetic learning method, using plant structure astemplate for preparing ultra hydrophobic materials, special processing planttemplate, and soaked in a solution with a low surface energy. So as to preservethe original properties of materials, and inherits the micro nano structure ofnatural plant template, finally obtained with a hierarchical structure on thesurface of the super hydrophobic materials.
Keywords Superhyphobic Carbon ZnO Contact angel (CA)
目 次
1 绪论1
1.1 引言1
1.2 遗态材料概述2
1.3 超疏水表面的理论基础2
1.4 超疏水表面的应用3
1.5 超疏水表面的制备方法3
1.6 选题的目的及研究意义4
2 碳素超疏水陶瓷的制备及其表面性能研究5
2.1 引言5
2.2 实验部分5
2.2.1 实验所用主要材料及化学药品5
2.2.2 实验仪器6
2.2.3 试样的制备方法6
2.2.4 试样的表征方法6
2.3 结果讨论7
2.3.1 晶体结构分析7
2.3.2 表面形貌和成分分析7
2.3.3 接触角分8
2.4 本章小结9
3 ZnO/C超疏水陶瓷的制备及其性能研究10
3.1 引言10
3.2 实验部分10
3.2.1 实验材料和试剂10
3.2.2 实验仪器11
3.2.3 试样的制备方法11
3.2.4 试样表征方法11
3.3 结果与讨论12
3.3.1 样品 XRD 分析12
3.3.2 材料表面形貌及成分分析13
3.3.3 红外分析16
3.3.4 疏水性能分析17
3.4 本章小结19
结论20
致谢21
参考文献22
1 绪论1.1 引言在自然界中，无得的物种经历了亿万年的进化，经过不断的自然选择以及优胜劣汰，它们形成了完美而特殊的结构，所以许多物种有着人工制备的材料无可比拟的优良性能。近年来，研究者们发现：他们通过各种工艺控制，就可以将天然生物系统中存在的各类符合人类需求的组织，直接复制其原有结构形态，从而制备出新型材料。以大自然中本来就存在的动植物组织为模板，制备保留其组织结构的卓越性能的新型材料，为复合材料的设计和制备提供了一种崭新的研究思路。自然界中许多的动植物的某些组织具备超疏水能力。在动物中，例如一些有翅昆虫，其中包括了蜻蜓目、同翅目、毛翅目、膜翅目以及双翅目等等这些昆虫，它们可以通过闪动翅膀等和简单的一些动作来去除翅膀和眼睛表面的灰尘颗粒、水滴还有水雾，以此来保持自身的关键组织不受影响，可以使得它们的翅膀和眼睛在雨中或者雾中等一些较为恶劣的环境下保持不被水滴润湿，从而保证了它们在雨中生存的可能。再有很多植物组织中，例如粽叶、水稻叶、玫瑰花花瓣、荷叶还有花生叶等等。在雨天，水滴一旦落在了这些叶片上，马上就会凝聚成一个自由滚动的水珠，同时，水珠在不断的滚动中能顺便带走其表面的灰尘。因此这些拥有超疏水能力的植物叶片将会在雨后会变得一尘不染，这种现象一般被称做“荷叶效应” 。利用电子显微镜仔细观察这些叶片，我们会发现其表面并不像宏观中观察的那样，其微观表面不光滑，通过观察，我们发现在微观中叶片呈现出了微纳米的分级结构，其结构非常复杂。所以当灰尘和水滴落在叶片表面上时，只与其表面的微纳米凸起接触，为点接触，灰尘和水在其表面黏附作用力很小。因此，水在表面张力的作用下可凝聚成小水珠，并且可以在植物表面自由滚动。同时我们观察发现，叶面还覆盖有一薄层表面能很低的蜡状物。在微纳米的分级构造和低表面能蜡状物的联合作用下，这些植物的叶片得以实现自清洁功效，这种能力有效的防止了植物叶片上的气孔被阻塞， 因此它们才能在漫长的自然选择中脱颖而出。植物叶片表面精细合理的构造是经过数以亿万计的长期自然选择二形成的，是难以难以通过简单的人工手段制备的。在人类的生活生产中，有大量的器具部件长期暴露在多水、多尘以及多污染的环境中，很多机械粘上水气，灰尘或者其它杂质后较难清理，甚至会影响器具或者部件的性能，比如有些易绣易腐蚀的材料可能会因为这些原因彻底失效。所以人们希望这些器局或者部件能具有超疏水性，从而实现自清洁防污防锈等功能。而在现有的工艺中，人们一般通过模仿植物叶片上的微纳米凸起构造，在器具和部件上加工出微观粗糙的表面，再利用低表面能物质修饰加工出的粗糙表面；又或直接在表面能较低的材料中加工出粗糙的表面，从而使其具备一定的超疏水能力。例如一些难以清理道德高楼室外玻璃、输油管道、下水管，还有对防锈要求较高的军舰船体或者一些机器上，甚至在雨衣上都可以通过上述方法获得一定的疏水能力。但是，已获得的这些粗糙构造的超疏水材料，仅仅是经过简单人工模仿，就算人类采用目前最优秀的工艺，最好的技术和最精密的仪器，还是很难完全模仿出这些动植物经过亿万年优化的趋于完美的构造，因此，超疏水材料的传统加工方式受到了极大的限制，器具部件的超疏水性能的提升变得极其缓慢。所以在本研究中，我们将会采取遗态材料的制备工艺，直接利用柳桉等植物作为模板，利用柳桉的天然结构的遗传和化学组分的变异，再经过特殊溶液的浸渍处理，最后用低表面能的蜡状物质加以修饰，从而最终获得高保真的植物模板的超疏水表面。同时，我们还会测试并研究这种材料的疏水性能，以探明植物构造对它们疏水性能起到的促进作用。在本实验中，我们将主要以具有柳桉木材模板构造的 C、ZnO/C 超疏水陶瓷材料为例展开深入研究和讨论。1.2 遗态材料概述遗态材料是材料研究领域出现的一个新概念，它是利用动植物经过亿万年的自然选择和优胜劣汰而形成的多层次、多结构的分级结构和形貌作为模板，采用人工耦合处理，利用了生物原本的结构和形态的遗传，化学组分的变异，以此制备出既保持生物模板的精细形貌和结构，而又有人为加入的新特性和新功能的复合材料。遗态材料的概念最初是由日本的冈部敏弘博士等人提出来的，日本的研究者称其为“木质陶瓷” ，而美国的研究者则称之为“生态陶瓷” 。如今，研究者们已经成功的利用了荷叶、粽叶、水稻叶、植物木材等植物作为模板，制备了保持有植物天然结构特征的SiC、ZnO、Cu、Al2O3等具有超疏水能力的陶瓷材料以及复合材料。
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